Den sidste gang, du brugte din telefon til at få Google Maps til at bestemme din nøjagtige placering på et kort, stoppede du da nogensinde op og tænkte på, hvordan GPS fungerer så præcist?
Det globale positioneringssystem (GPS) blev faktisk lanceret af det amerikanske forsvarsministerium i 1973 (kendt som NAVSTAR). I 1993 var der 24 GPS-satellitter i kredsløb om Jorden og sendte kredsløbs- og positionsdata, som militæret kunne bruge til navigationsformål og andre militære formål. I dag er der i skrivende stund 28.
I 1980’erne blev de data, der blev transmitteret fra GPS-satellitterne, åbnet for offentligheden, hvilket åbnede et helt marked for det store udvalg af GPS-navigationsudstyr, som vi har i dag.
I skrivende stund af denne artikel har Rusland, Kina, Europa og Indien alle deres egne aktive GPS-systemer. Japan er ved at udvikle sit eget GPS-system, som forventes at være operationelt i 2023.
Hvordan fungerer GPS?
Mens satellitteknologien, som GPS er baseret på, er meget avanceret, er den måde, systemet fungerer på, imponerende enkel.
Der er tre komponenter i ethvert individuelt GPS-navigationssystem.
- Satellitter: GPS-satellitter: GPS-satellitter kredser om Jorden og sender deres aktuelle tid og position i kredsløb til alle GPS-modtagere på deres side af planeten.
- Kommandocentral: GPS-satellitterne sender deres aktuelle tid og position i kredsløb til alle GPS-modtagere på deres side af planeten: Kommandocentralen sender orbitale data, tidskorrektioner og andre satellitternes orbitale position op til satellitterne i kredsløb.
- GPS-modtagere: En GPS-modtager på Jorden modtager kredsløbstider fra så mange satellitter, som er inden for rækkevidde, og beregner sin egen position på Jorden på grundlag af positioner fra mindst fire GPS-satellitter.
GPS-modtagere anvender et matematisk princip, der kaldes triangulering, til at beregne deres egen position.
Hvordan fungerer GPS-triangulering
Hvis du holder en GPS-modtager (som den i din telefon) i hånden, modtager en GPS-modtager fra et hvilket som helst punkt på planeten tidsstempler fra de synkroniserede ure på hver af GPS-satellitterne over dig.
Gennem forskellene i tidsstemplerne og den konstante lyshastighed, som radiobølger bevæger sig med, kan GPS-modtageren bestemme afstanden mellem det sted, du står, og hver satellit.
Dette giver GPS-modtageren radius af kugler med satellitterne i centrum og din placering i kanten af kuglen.
Da hver satellit bevæger sig i en forudsigelig bane over jorden, kan modtageren bruge en lagret almanak med den aktuelle kendte position for alle GPS-satellitter til at bestemme, hvor, tilnærmelsesvis, disse satellitter i øjeblikket er placeret over jorden.
Med den kendte position for hver satellit og den målte afstand mellem disse satellitter og din position kan din GPS-modtager beregne din omtrentlige position ved at bestemme, hvor skæringspunktet mellem disse tre kugler mødes på jordens overflade.
Modtageren viser dig derefter denne position på et kort.
Tre satellitter giver en grov placering, og GPS-modtagere kræver et fjerde signal fra en anden GPS-satellit for at bestemme din aktuelle højde på jordens overflade ved hjælp af et andet matematisk princip, der kaldes trilateration.
Sådan fungerer din telefons GPS-sensor
De fleste moderne smartphones er i dag udstyret med en GPS-modtagerchip. Denne chip kan modtage radiosignalerne fra GPS-satellitterne.
Din telefons ur er ikke et atomur, så dens tid er ikke synkroniseret med atomurene fra satellitterne i kredsløb. Det betyder dog ikke noget, når det drejer sig om at beregne placeringen ved hjælp af signalerne fra disse satellitter.
Det skyldes, at telefonens GPS-modtager fokuserer på de data, den modtager fra satellitterne, og en database med kendte satellitplaceringer over Jorden. Da alle satellitterne har et atomur, er den aktuelle tid på hver satellit nøjagtig den samme på et hvilket som helst tidspunkt.
På grund af afstanden fra satellitten og det faktum, at radiosignalerne bevæger sig med lysets hastighed, afslører forskellene mellem de enkelte modtagne tidsstempler imidlertid afstanden mellem din telefon og hver af satellitterne.
Sådan fungerer denne GPS-proces:
- Alle fire satellitter sender nøjagtigt det samme tidsstempel til din telefon kl. 17:12:14.
- Din telefon modtager dette tidsstempel kl. 17:12:15 fra satellit 1.
- Den modtager tidsstemplet kl. 17:12:16 fra satellit 2.
- Sluttelig, kl. 17:12:17, modtager den tidsstemplet fra satellit 3.
Dette fortæller din GPS-modtager, at det tog 1 sekund for radiosignalet at nå frem til den fra satellit 1, 2 sekunder fra satellit 2 og 3 sekunder fra satellit 3.
Lysets hastighed er en kendt konstant på 299.792.458 meter i sekundet.
Gennem simpel matematik kan modtageren beregne, at dens afstand er ca. 300 tusind meter fra satellit 1, 600 tusind meter fra satellit 2 og 900 tusind meter fra satellit 3.
Gennem en opslagstabel fra en GPS-satellitdatabase kender telefonens GPS-modtager den omtrentlige aktuelle placering over jorden for alle tre satellitter, hvilket giver længde- og breddegradskoordinater for alle tre.
Med disse oplysninger kan din telefon beregne din egen længde- og breddegrad på jorden.
Med dine kendte koordinater kan GPS-modtageren derefter bruge afstanden mellem sig selv og en fjerde satellit til at bestemme, i hvilken højde over jorden du befinder dig.
Hvad er et assisteret globalt positioneringssystem?
Hvor smartphones begyndte at integrere GPS-kredsløb, brugte folk typisk håndholdte GPS-modtagere, der fungerede på AA-batterier. Eller de installerede GPS-enheder i biler, som blev tilsluttet telefonens batteri.
Dette skyldtes, at radiokommunikation kræver mere strøm. Begrænsningen ved dette er, at man ofte skulle vente flere minutter på, at GPS-modtageren kunne “låse sig fast på” nok GPS-satellitter til at beregne ens position.
Smartphoneproducenterne omgik denne batteribegrænsning ved at kombinere deres eksisterende teknologi med celletriangulering. Længe før telefonerne blev GPS-aktiveret, kunne de bruge signaler fra mobiltelefontårne til at triangulere din position ved hjælp af den samme slags trianguleringstidsstempel og afstandsteknologi som med GPS-satellitter.
Dårligt nok er denne navigationsberegning langt mindre præcis, fordi mobiltelefontårne befinder sig i jordhøjde. Så GPS-softwaren på din smartphone vil først bruge triangulering af mobilsignalet til at bestemme din omtrentlige position og derefter opdatere denne position, når satellit-GPS-data er klar.
Dette gør det muligt for moderne smartphones at spare batteristrøm ved kun at bruge GPS-data, når disse positionsopdateringer er nødvendige. Det er derfor, at du ofte kan se din position på Google Maps lejlighedsvis springe til en ny position, når mere nøjagtige data er tilgængelige.